基于环境地图信息的移动机器人路径规划研究

论文摘要

随着科学技术的不断进步,机器人技术在工农业等社会生活各方面的应用越来越广泛。移动机器人的路径规划问题是机器人研究的重要组成部分。本文针对移动机器人的路径规划问题提出了一种新颖实用的全局路径规划方法。本文首先综述了国内外机器人技术的研究概况,对当前移动机器人路径规划的研究进展以及研究方法进行了必要的综述,并阐述了论文的选题背景、研究内容和意义。其次,针对自主研发的两后轮驱动移动机器人“先锋-Ⅱ”,详细阐述了机器人机械结构的设计,并建立了该模型移动机器人的运动学模型,在此基础上分析了齿轮传动对运动学模型的影响。第三,对机器人的运行环境进行建模,按照一定的简化规则建立了移动机器人实验运行环境的电子地图数据。第四,以电子地图为基础,提出了一种基于Voronoi图理论的移动机器人路径规划方法。重点阐述了应用Voronoi图算法生成机器人无碰撞路径网络的方法,以及采用Dijkstra最优搜索算法为机器人寻找出一条最优路径的过程,并在VC++编程环境下对路径规划方法进行了仿真,得出仿真结果。第五,简要叙述了半自主移动机器人远程控制系统的总体构成。详细描述了移动机器人本体基于DSP微控制器的外围扩展电路,建立了移动机器人的定位实现算法。在此基础上,把第四章提出的路径规划算法移植到DSP微控制器上,得到算法在该机器人上的实际运行结果。最后,给出了研究过程中得出的几点结论,指出本文研究的一些不足,提出今后还需加强的研究工作方向。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 移动机器人路径规划现状
• 1.1.1 全局路径规划方法
• 1.1.2 局部路径规划方法
• 1.2 环境建模技术发展现状
• 1.2.1 环境地图的栅格法表示
• 1.2.2 环境地图的几何信息法表示
• 1.2.3 环境地图的拓扑法表示
• 1.3 本课题的来源及意义
• 1.4 论文主要研究工作和内容安排
• 1.4.1 论文主要研究工作
• 1.4.2 论文内容安排
• 第二章 两轮驱动移动机器人的运动学分析
• 2.1 移动机器人机械结构及其驱动方式
• 2.1.1 机械结构及驱动方式
• 2.1.2 驱动电机和光电编码器的选型
• 2.2 两轮驱动移动机器人运动学模型
• 2.3 几种基本运动方式的实现
• 2.3.1 直线运动
• 2.3.2 圆弧运动
• 2.3.3 本体质心不变条件下的运动
• 2.4 齿轮传动对运动学模型的影响
• 2.5 本移动机器人的运动学方程
• 2.6 本章小结
• 第三章 环境信息的电子地图表示
• 3.1 环境建模的必要性
• 3.2 环境信息的获取方法
• 3.3 环境电子地图的建立
• 3.3.1 运行环境预处理
• 3.3.2 运行环境后处理
• 3.3.3 机器人实验环境
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于VORONOI 图法的移动机器人路径规划
• 4.1 引言
• 4.2 图论相关基础理论
• 4.2.1 基本概念
• 4.2.2 图的矩阵表示
• 4.2.2.1 邻接矩阵
• 4.2.2.2 关联矩阵
• 4.2.2.3 可达矩阵
• 4.3 VORONOI 图基础理论及其应用
• 4.3.1 VORONOI 图基本概念
• 4.3.2 点集VORONOI 图的一些性质
• 4.4 路径规划算法
• 4.4.1 无碰撞路径网络生成算法设计
• 4.4.2 路径网络生成算法仿真
• 4.4.3 路径规划搜索路径图的建立及存储
• 4.4.3.1 搜索路径的建立
• 4.4.3.2 路径权值的计算方法
• 4.4.3.3 带权值路径图的存储
• 4.4.4 DIJKSTRA 最优路径搜索算法
• 4.4.4.1 最短路径问题
• 4.4.4.2 DIJKSTRA 搜索算法基本思想
• 4.4.4.3 DIJKSTRA 搜索算法的设计
• 4.4.5 路径规划仿真结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于DSP 的移动机器人系统设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 数字信号处理器（DSP）
• 5.2.1 TMS320LF2407A
• 5.2.2 实时DSP 系统的构成
• 5.3 半自主移动机器人远程控制系统构成
• 5.3.1 远程控制平台
• 5.3.2 GPRS 无线传输模块
• 5.4 数据传输协议
• 5.4.1 PC 机到DSP 的数据传输指令
• 5.4.2 DSP 到PC 机的数据传输指令
• 5.5 本地机器人小车系统
• 5.5.1 DSP 电平转换
• 5.5.2 电源模块
• 5.5.3 人机交互模块
• 5.5.4 小车定位模块
• 5.5.4.1 定位模块硬件接线
• 5.5.4.2 定位算法的实现
• 5.5.4.3 电机的数字PID 控制算法
• 5.6 路径规划算法在机器人系统上的实现
• 5.6.1 DSP 集成开发软件CCS
• 5.6.2 算法的移植
• 5.6.3 路径规划算法实际运行结果
• 5.7 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 研究生阶段完成的论文
• 致谢